股骨粗隆间骨折滑动加压外固定器的设计及步态模拟实验结果分析

目的在单侧成角度外固定器和动力髋螺钉(DHS)的基础上设计制作股骨粗隆间骨折滑动加压外固定器,并对其生物力学性能进行评价。方法取5对成人新鲜股骨标本,造成AO分型A1.1型股骨粗隆间骨折模型。实验组用滑动加压外固定器固定,对照组用单侧成角度外固定器固定。实验在电子万能实验机上进行加载,YD-15型动态电阻应变仪记录结果,载荷范围设为0～800N。结果对照组1个步态周期内出现1个峰值,而实验组出现3个应变峰值和2个最小值,这种应变峰值和最小值的反复出现使骨折两端产生轴向微动,最终发生嵌插,骨折断端相对稳定。实验组最大应变值明显高于对照组,并且对照组应力集中在股骨距处而实验组应力以滑动螺钉为中心分布,这有利于骨折愈合。结论滑动加压外固定器具有滑动、加压双重功能,它可以在步态周期的不同阶段提供相应的生物力学支持,具有固定可靠、能避免或减少髋内翻等并发症、促进骨折愈合等优点。

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注.本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响.为此,采用Kelvin-Voigt模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用Kelvin-Voigt模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型.本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析.计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐.进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释.为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响.结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到0.9以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.

多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现

针对蛇形机器人整体研制的关键问题,包括材料选取、结构设计和运动实现等,研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成,可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态,并进一步提出了改进的越障步态。同时,在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真,比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后,通过蛇形机器人样机步态实验,对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析,验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。